宽频率范围电流互感器外文翻译资料

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科学仪器的审查 第42卷，第7期；1971年7月

宽频率范围电流互感器

约翰米.安德森

通用电气企业研发部，纽约 斯克内克塔迪，12301

（1971年2月22日收到; 最终形式，1971年3月24日）

通过实验检查具有电阻性负载的电流互感器以确定高频响应的一些限制。通过在次级绕组周围放置阻尼电阻来避免线圈谐振，其允许相对大量的次级匝数（50或100），改善低频响应并增加itimes;t产品，即使对于最高频率的变压器也是如此。在具有6.4mm窗口的变压器中获得对几千兆赫兹的均匀响应，而在较大的变压器（直径12.7cm和2.5cm窗口）中发现1Hz~300MHz的范围，使用铁氧体和铁合金芯。

引言

URRENT变压器在测量变电流时具有独特的优势，不需要直接连接到被测电路，允许隔离高压并且不受杂散接地电流的影响。而且与具有相同灵敏度的电阻电流监视器相比，电流源中反映的电阻要小得多。

大约15年前，这些变压器被认为是低频设备，其范围至多为几兆赫兹。目前，许多公司生产宽带电流互感器，其截止频率可达1 GHz。应用包括快速脉冲测量，电磁干扰，天线电流，功率切换波形等。

最近关于高频电流互感器的文献^1-4（在过去20年）并不广泛，大多数已被开发用于磁控脉冲发生器或用于控制核聚变。 Cooper⁵在1963年对Rogowski环进行了研究，发现如果负载电阻很小，则上升时间小于环路周围的通过时间，这个结论特别重要，被后人使用。 Rogowski环路如果配备得当，就可以显示出其检测纳秒脉冲的能力.⁶ Velsink给出了电流互感器的讨论，⁷其中他指出了将次级电流作为当前表格的观点。

所有应用都没有通用电流互感器。设计用于60 Hz的大型正弦电流的设备将受到高频响应的限制，可能达到100 MHz。专为微波应用而设计的产品将具有较差的低频响应和较低的itimes;t产品。最终的规格将涉及频率范围、itimes;t产品、灵敏度等的权衡。因此，为方便起见，我们将可能的变压器的范围任意划分为三个，分别为A，B和C。 A是高电流，低频率和高itimes;t产品。 C是具有低itimes;t产品的最高频率，B是“介于两者之间”，具有在1Hz~100MHz范围内的一般实验室或商业单元所需的特性。

本文的大多数实验工作都涉及C变压器，其原因是尺寸小，使用方便，且希望看到结构的频率上限是多少，仅展示A和B变压器的有限结果。

理论

在低频下工作的电流互感器在技术上已经很多年了，并且很好地被理解为集成电路器件，教科书涵盖了他们的操作理论。然而本文将对其中一些关系简要地概括。假设理想的变压器条件，即没有磁芯损耗的单位耦合，并且绕组电抗远大于相应的初级和次级电阻，初级和次级电流的比率与匝数比成反比，

（1）

在初级电流的监测需要来自次级电压输出的许多情况下，次级电流通过负载电阻器R_L，

（2）

灵敏度或传输阻抗是与的比率。

此外，在理想的变压器条件下，反射到初级的阻抗是电阻性的，

（3）

其中是次级绕组电阻。

注意，如果，则反射到初级中的电阻可能非常小。这是电流互感器优于等效（相同灵敏度）电流监控器的重要优势，该电流监控器仅由电阻器组成。在电源电路中，功率损耗的降低变得尤为重要。从另一方面看，R_L是比等效电阻电流监视器更大的电阻，使得可以精确地测量更高频率的信号，因为负载的自电抗相对不重要。

显然电流互感器不是直流设备，电阻监视器也是如此，即使非常低的频率切断是可行的，这将在后面描述。当二次电抗等于总二次电阻时，确定-3dB的低频点。由于频率降低的响应下降是由于简单的L-R组合，它以6dB/倍频程进行，并预测由下式确定的方波下垂D：

（4）

其中，是-3 dB低频截止点，T是方波脉冲持续时间。

变压器的高频截止并不好定义。在达到预期的理论截止值之前，杂散电容和电感可能导致虚假响应。目前工作的一个主要部分是致力于消除这些不需要的响应，以便即使是物理上大的变压器也可以接近纳秒上升时间。

从集总参数变压器的角度来看，电流互感器的观点会有所不同。在图1中，示出了均匀环形次级绕组的一部分，其中沿着环形中心轴引入激励电流。则在平均半径R处，准静态磁场是

假设环形绕组绕着绕组连续磁芯和负载电阻为零。此外，如果导线电阻为零，则在绕组中流动的电流正是消除在磁芯内所产生的任何磁通量累积所必需的电流。将次级电流视为终止绕组表面施加的磁场的电流“片”是有益的：

其中m是垂直于表面的单位矢量。次要的每一回合的电流是：

其中是核心周围每单位长度的匝数，。

（5）

令，则理想变压器的预期关系，通过对足够小的电阻值对进行采样来获得电压输出，使得上述关系变化非常小。

注意，很少的磁通量穿过次级绕组的表面，在理想情况下则没有，并且磁芯几乎不受磁化。此外，二次电流在幅度和相位上无处不在，只要可以忽略的传播时间，这对于变压器的高频响应非常重要，因为次级电流同时在所有点流动，并且如果非常小，则沿次级的各个点处感应的电流不必传到输出而被监控。因此，次级绕组周围的行波不会影响变压器的运行。

然而，在实际变压器中存在有限的次级电阻，并且在该电阻中流动的次级电流产生电压降（跨越的部分构成期望的电压输出）。电压下降每个次级绕组周围都与磁芯中磁通量的变化有关（见图1），

假设B在核心横截面上是均匀的，并且向下，

（6）

然而，

（7）

这使我们能够计算变压器在没有磁芯饱和的情况下响应大的初级电流，具有比真空的磁导率大得多的磁芯的存在允许次级绕组每侧上的切向磁强度的差异比空气芯的情况更长，对于穿过绕组的磁通线，核心可以被认为是“下沉”，直到磁芯饱和，，并且不存在切向磁强度差。综合以上等式，则有：

（8）

式（8）给出了计算变压器的的乘积（交叉不是矢量乘积）的有用关系，观察到饱和度是变压器输出的突然下降，而初级电流仍在流动。 与脉冲变压器的产品有关，两者都是由磁芯饱和度决定的。

变压器与初级电流的相互作用仅通过磁场，并且通常通过将次级绕组放置在金属屏蔽中来排除干扰的电场。图2（a）显示了横截面中的可能配置。围绕屏蔽内侧的狭缝防止次级绕组短路。电流响应于通过核心“窗口”的初级电流在屏蔽表面上径向和轴向流动，使得屏蔽内部的磁场恰好是在没有屏蔽的情况下存在的磁场。内部场积累的瞬时延迟仅归因于耦合到表面电流的介质中的场的传播时间。此外，屏蔽还通过涡电流排除沿中心轴排列的杂散磁场，其试图进入窗口并在绕组周围引起寄生电压。在低频时，不完全排除轴向磁场，并且通常通过在与常规缠绕的环形线圈的输出串联的方向上围绕方向放置单匝反绕线来进行抵消。

基于当前片材近似的上述讨论可以帮助解释高频下的变压器响应。将始终观察到通过设备的某个传播延迟时间（几十皮秒）。然而，我们依赖于屏蔽能够再现核心附近的自由空间磁场的能力。为此，图2（b）显示了一种同轴几何结构，可用于将表面电流限制在屏蔽内部并排除杂散拾取。使用这种配置可以更加确保次级的对称激励。另一个限制发生在屏蔽内部的谐振附近，因为其尺寸在所考虑的信号频率下变为波长的可观部分。这可以通过屏蔽腔的电阻负载来抑制，这将在后面示出。

必须考虑由于匝与屏蔽或磁芯之间的绕组容量引起的次级绕组的谐振。当绕组仅以轻微的不对称性激发时，这些相当高的Q谐振出现在几兆赫兹区域中。以前我们说过，次级上所需的信号波形在核心周围是均匀的，并且不涉及传播波形。然而，虚假共振确实涉及梯度，这表明有一种方法可以抑制它们。发现了一种简单实用的解决方案，其形式是沿绕组均匀分接的电阻，并且所有电阻均以公共连接终止（见图3）。显然，这会减弱绕组上的传播模式，而不会影响所需的响应。当磁芯均匀激励时，在阻尼电阻中没有信号电流流动。根据经验发现约1kOmega;的电阻值以抑制不需要的响应，并且它们必须经常沿着绕组放置，使得插入的绕组段中的内部谐振移动到需要的频率之上。

基于先前的讨论并且由将要描述的实验支持，我们可以预测在非常宽的频率范围内具有恒定灵敏度的电流互感器的构造。在最低频率下，磁芯材料起到提供必要的次级电感的作用，并且次级的所有部分通过大的互磁通紧密地耦合到初级。随着频率的增加，磁芯的有效磁导率降低，减少了次级绕组部分之间的耦合，使得初级绕组的对称激励变得重要。对于这里感兴趣的铁氧体材料，从开始~1 MHz。在最高频率，~1 GHz，核心起着很小的作用，并且该结构充当空心变压器。如果负载电阻小且励磁是对称的，则流过的二次电流仍然与理想变压器相同。最后，这里考虑的物理结构的频率限制发生在次级绕组的径向范围变为自由空间波长的可观部分时，因此必须考虑延迟电位。在要考虑的最小变压器中，这可能发生在几千兆赫兹，预测上升时间约为100微秒。

整体概述

电流互感器的物理结构应遵循前一节中概述的一般理论，尽可能少地妥协。关于主导线的次级的对称布置环形绕组的形式有助于确保二次电流的均匀激励。绕组应具有恒定的匝数密度，以防止环形线圈周围感应电流的梯度。对于这项工作，我们选择了总共50或100的总圈数。前者在工作到50 Omega;负载时的灵敏度为1 V / A，而后者在0.1,1和10 Omega;负载下提供良好的灵敏度。

如图3所示放置在次级周围的阻尼电阻器以相等的匝数间隔分接到线圈，因此在该网络中没有净信号电流流动。低电感公共连接终止所有电阻。因此，我们限于总共100,50,25,10或5个电阻器，并且经验证明为了将线圈谐振推到所关注的频率范围之上，实际上需要多少电阻器；在某个频率（对于要描述的变压器似乎为~1GHz）之上，线圈谐振消失并且不需要更大密度的电阻器。通过在环形磁芯上缠绕具有间隔电阻器的各种线圈并通过栅极浸渍计检查谐振的抑制来凭经验找到电阻值。对于每个电阻器来说，三千欧或更小是足够的，因此通常选择1kOmega;确定的余量。如果负载电阻或负载很小，则对变压器的传输阻抗（灵敏度）的影响可以忽略不计。由于它们的可用性，使用传统的分立电阻器是最方便的。然而，在生产环境中，制造成本是不可能的，对此我们考虑印刷电路网络。

磁性材料的选择范围缩小到铁（带缠绕或层压）和铁氧体之间的选择。大多数低频铁氧体的饱和磁通量约为4000 G，而铁合金的饱和磁通量约为15000 G，由于这主要仅影响产品，因此使用铁芯可以获得3.7倍的系数，而低铁电流的最高电流遇到频率大小变压器 - 这将是一个优势。薄的叠片或带缠绕进一步有助于减少损耗并在较高频率下保持足够的有效磁导率。对于较高频率的变压器B和C，线性或“软”铁氧体磁芯是优选的，因为在~1至10MHz的频率范围内保持足够的磁导率和良好的磁通量。铁氧体通常具有较低的剩余磁通量，并且不需要复位电流来获得具有单向初级电流的良好产品。较低频率（~500 kHz）的铁氧体就足够了，因为在10 MHz的频率下，对核心的依赖性减小。此外，低频铁氧体通常具有较高的初始磁导率，有助于变压器响应中的最低截止频率。但是当需要非常低的频率切断时，铁是唯一的选择，因为最初的渗透率可能高达~100000，而目前铁氧体的渗透率仅为10000。

电流互感器的负载电阻或负载几乎没有：直接连接到同轴电缆时为50Omega;，或者在需要大型产品时低至0.1Omega;。在低频时，这不是问题，因为电阻器的残余电抗不重要。当检测到10 MHz以上的频率，特别是100 MHz以上时，残余感抗不能忽略，人们不得不选择薄膜同轴电阻来最小化这种误差。尽管如此，可以构造具有可忽略的电感和恒定电阻的适当护理电阻，即使对于0.1Omega;，也可以使用几千兆赫。负载应该直接位于次级绕组输出处，除非具有相同特性阻抗的同轴电缆将它们分开。

这里描述的所有变压器的屏蔽结构遵循图2所示的设计。入口狭缝放置在面向主电线的内侧，以便可以进行同轴连接（见图2），从而消除了外部的表面电流。屏蔽。屏蔽的内腔必须是方位角均匀的，以便来自主线的磁场在其绕组表面处围绕次级是恒定的。屏蔽中的狭缝做得很小，为1-2毫米，以最大限度地减少从中心主线到次级绕组的直接电容耦合。在低频时，这不是一个重要因素，但在1000 GHz时它变得与磁耦合的幅度相同。在所描述的第二屏蔽内部，但其切口背向主导线的第二屏蔽将基本上完全隔离。它对变压器响应的影响非常小，因为器件的阻抗水平通常很低，只要一个空间足以使容量最小化。即使初级绕组不对称地放置在变压器窗口中或使用非同轴馈电，单屏蔽和双屏蔽也具有使次级激励更均匀的有益效果。

在本节中，已经讨论了变压器结构中必须考虑的各种一般因素。在处理特定变压器时将指出其他预防措施。但是，在这一点上重要的是要提到如何测试变压器，特别是关于频率响应。当必须覆盖如此宽的频率范围时，通过可变振荡器和检测器的频率响应的直接测量是困难的，因此我们已经在初级中应

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